DE102007009707A1

DE102007009707A1 - Schwingkolbenverbrennunsmotor

Info

Publication number: DE102007009707A1
Application number: DE102007009707A
Authority: DE
Inventors: Bernd Jung
Original assignee: JUNG BRIGITTE
Current assignee: JUNG BRIGITTE
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2008-12-11
Also published as: WO2008104569A3; WO2008104569A2; EP2134923A2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwingkolbenverbrennungsmotor (10), umfassend einen konzentrisch zu einer ersten Welle verlaufenden rotationssymmetrischen Zylinderraum mit zumindest einem in diesem hin- und herschwenkbaren Kolben (18). Um eine hohe Verdichtung bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass der Zylinderraum in n-Teilräume unterteilt ist, dass in jedem Teilraum ein Kolben hin- und herschwingbar ist und dass jeder Teilraum von dem in diesem hin- und herschwingbaren Kolben in zwei Brennräume (22, 24) unterteilt ist und dass vorzugsweise jeder Brennraum mit einem vorverdichtetes Gas zuführenden Anschluss verbunden ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwingkolbenverbrennungsmotor umfassend einen konzentrisch zu einer ersten Welle verlaufenden vorzugsweise rotationssymmetrischen eine Torusform bzw. einen Abschnitt von dieser aufweisenden Zylinderraum mit zumindest einen in diesem hin- und herschwenkbaren Kolben.
Ein entsprechender Schwingkolbenverbrennungsmotor ist der DE-C-195 23 736 zu entnehmen. Hierbei handelt es sich um einen Viertaktmotor, bei dem der Schwingkolben einen einzigen Brennraum begrenzt. Der Kolben ist über eine Kupplung mit einer Abtriebswelle derart verbunden, dass die Schwingbewegungen in eine einheitliche Drehbewegung der Abtriebswelle umgeformt werden.
Weitere Schwingkolbenverbrennungsmotoren oder -maschinen sind z. B. der DE-C-199 01 110 , der DE-B-10 2005 038 447 , der DE-A-10 2005 024 751 , der DE-B-10 2005 023 721 oder dem DE-U-298 22 542 zu entnehmen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Schwingkolbenverbrennungsmotor zur Verfügung zu stellen, womit eine hohe Verdichtung bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad erzielbar ist. Dabei soll die Möglichkeit einer gleichmäßigen abgreifbaren Rotationsbewegung gegeben sein. Auch soll nach einem weiteren Aspekt der Erfindung der Verdichtungsdruck in den Brennräumen variabel einstellbar sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen dadurch gelöst, dass der Zylinderraum in n-Teilräume unterteilt ist, dass in jedem Teilraum ein Kolben hin- und herschwingbar ist und dass jeder Teilraum von dem in diesem hin- und herschwingbaren Kolben in zwei Brennräume unterteilt ist und dass vorzugsweise jeder Brennraum mit einem vorverdichtetes Gas zuführenden Anschluss verbunden ist. Dabei ist jeder Takt ein Arbeitstakt
Erfindungsgemäß wird ein Schwingkolbenverbrennungsmotor zur Verfügung gestellt, bei dem im Vergleich zu Viertaktmotoren dem Grunde nach tote Arbeit nicht geleistet wird. Vielmehr erfolgt bei jeder Bewegung des Kolbens in eine Richtung ein Verdichten und Zünden, so dass ein hoher Wirkungsgrad erzielbar ist. Kurbellager sind nicht erforderlich, so dass eine ölfreie Bauweise möglich ist. Dabei können das Zylindergehäuse und der Kolben aus Keramikmaterial hergestellt sein, so dass sich eine leichte Bauweise ergibt.
Wird der Schwingkolbenverbrennungsmotor als Direktantrieb für dreh- oder rotierende Bewegung eingesetzt, kann die Abtriebswelle die Welle sein, um die der Kolben hin- und herschwingbar ist.
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass der erfindungsgemäße Motor als Gasgenerator betrieben wird. In diesem Fall wird die mechanische Leistung turbinenseitig abgegriffen. Dabei kann die Turbine auf einer Welle gelagert sein, von der der Rotor eines Generators ausgeht, so dass gleichzeitig elektrische Energie erzeugt werden kann. Ferner kann von der Welle ein Verdichter ausgehen, über den den Verbrennungsräumen vorverdichtete Luft in gewünschtem Umfang zuführbar ist. Das Verdichterrad kann jedoch entfallen, wenn ein separater Vorverdichter bzw. ein Gebläse vorhanden sind.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Motors sind:

– optimales Drehmoment, da die Kraft stets am besten Punkt eingreift. Dem Rundlauf des Motors kommt dabei zu Gute, dass keine Arbeitsleertakte und rotationshemmende Totpunktlagen vorhanden sind.
– Es besteht auch die Möglichkeit, mehrere Schwingkolbenverbrennungsmotoren hintereinander oder parallel nebeneinander zu schalten.
– Zwischen den einzelnen Brennräumen können Druckausgleichskanäle verlaufen, wodurch gleiche Arbeitsdruckverhältnisse erzeugt werden.
– Aufgrund des fehlenden Kurbelantriebs lassen sich sehr hohe Zünddrücke realisieren.

Dabei besteht die Möglichkeit, dass Zündzeitpunkte und/oder Kraftstoffmanagement mittels elektronischer Erfassung des Drehmoments und/oder der Kolbengeschwindigkeit regelbar sind.
Insbesondere ist vorgesehen, dass der Kolben von einer Kolbenscheibe ausgeht, die ihrerseits von einer Welle ausgeht, die Abtriebswelle sein kann oder über zumindest eine Kupplung und/oder ein Getriebe mit der Abtriebswelle verbunden ist.
Mehrere Kolben können von einer gemeinsamen Kolbenscheibe ausgehen. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass Kolben von getrennten Kolbenscheiben ausgehen. In diesem Fall sollten die gegensinnig sich bewegenden Kolbenscheiben z. B. über Zahnräder oder elektronisch synchronisiert sein.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass eine mehrstufige Verbrennung erfolgt. Hierzu kann dem Brennraum an mehreren Stellen Kraftstoff zugeführt werden.
Um die Hin- und Herbewegung, d. h. das Hin- und Herschwenken der Kolben in eine gleichsinnige drehende Bewegung umzusetzen, ist nach einem Vorschlag der Erfindung vorgesehen, dass die Kolbenscheibe von der ersten Welle ausgeht, die als erste Hohlwelle ausgebildet ist, dass die erste Hohlwelle von einer zweiten Welle durchsetzt ist und dass die Hohlwelle und die zweite Welle über Getriebe miteinander verbunden sind, über die deren Bewegung in eine einheitliche umformbar ist. Dabei ist die erste Hohlwelle über Verbindungsmittel wie eine Kupplung mit der zweiten Welle und einer zweiten Hohlwelle verbunden, wobei die Verbindungsmittel auf die zweite Welle eine der zwei Bewegungsrichtungen und auf die zweite Hohlwelle die andere der zwei Bewegungsrichtungen der Kolbenscheibe übertragen. Ferner besteht die Möglichkeit, dass die zweite Welle mit einem Sonnenrad eines Planetengetriebes verbunden ist, wohingegen die zweite Hohlwelle als Hohlrad ausgebildet ist, die über Planetenräder mit dem Sonnenrad in Wirkverbindung steht. Somit kann die Hin- und Herbewegung des bzw. der Kolben in einen gemeinsamen Drehsinn umgeformt werden.
Es besteht auch die Möglichkeit, dass die zweite Hohlwelle mit einem Rad eines Planetengetriebes verbunden ist, dessen Sonnenrad mit der zweiten Welle verbunden ist, wobei das Rad und das Sonnenrad ein in den Abtrieb übergehendes Glockenrad kämmen.
Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist die Kolbenscheibe als eine Zylinderscheibe ausgebildet bzw. weist einen Abschnitt dieser auf, die einen umfangsseitig radial abragenden ersten Vorsprung aufweist, dass der Zylinderraum eine Hohlzylindergeometrie mit einem von dessen Innenwandung ausgehenden radial nach innen gerichteten zweiten Vorsprung aufweist, entlang dem die Zylinderscheibe abdichtend anliegt, und dass der den Kolben bildende erste Vorsprung dichtend an der Innenwandung des Zylinderraums anliegt. Somit begrenzt der Kolben oder erste Vorsprung zwei Brennräume, die stirnseitig von den Außenflächen des zweiten Vorsprungs begrenzt sind.
In Weiterbildung ist vorgesehen, dass von diametral gegenüberliegenden Umfangsseiten der Zylinderscheibe jeweils ein radial abragender erster Vorsprung als der jeweilige Kolben ausgeht und dass von der Innenwandung des Zylinderraums von diametral gegenüberliegenden Bereichen zwei radial nach innen gerichtete zweite Vorsprünge ausgehen. Somit weist der Schwingkolbenverbrermungsmotor vier Brennräume auf, die von den zwei ersten Vorsprüngen der Kolbenscheibe begrenzt sind.
Unabhängig davon, wie viel erste Vorsprünge, die von der Zylinderscheibe ausgehen, vorgesehen sind, sollte der Vorsprung im Schnitt eine Trapezgeometrie aufweisen. Der bzw. die zweiten Vorsprünge, die von der Innenwandung des Zylinderraums ausgehen, weisen in radialer Richtung eine Dreiecksgeometrie auf, wobei die Flächen der die Brennräume begrenzenden ersten und zweiten Vorsprünge derart zueinander geneigt sind, dass brennraumaußenseitiger Abstand größer als brennrauminnenseitiger Abstand ist.
Eine weitere Ausbildung des Schwingkolbenverbrennungsmotors sieht vor, dass die Kolbenscheibe über Freiläufe mit zwei Wellen verbunden ist, dass auf eine der Wellen eine der Bewegungsrichtungen und auf die andere Welle die andere Bewegungsrichtung der Kolbenscheibe übertragbar ist, dass die Wellen über Verbindungsmittel wie Zahnräder oder -riemen mit jeweils einer Abtriebswelle verbunden ist, die ihrerseits über Zahnräder miteinander verbunden sind.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass die Kolbenscheibe von Kühlluft durchströmbar ist.
Die Kolben selbst können im Längsschnitt eine H-Geometrie aufweisen, deren Querschenkel in Längsrichtung des Verbrennungsraums verläuft. Somit ergibt sich eine leichte Bauart.
Die Gaseinlass- und -auslassöffnungen des Brennraums können über vorzugsweise gesteuerte Ventile wie Magnetventile verschließbar sein, ohne dass es sich hierbei um ein zwingendes Merkmal handelt. Insbesondere ist jedoch vorgesehen, dass die Gaseinlass- und -auslassöffnungen in etwa mittig zwischen den Totpunktlagen des Kolbens verlaufen. Hierdurch sind – sofern überhaupt Ventile zur Anwendung kommen – diese nur mit geringem Druck beaufschlagt, wobei auf der Auslassseite kein Ventil – nur Öffnungen – und auf der Einlassseite vorzugsweise Rückschlagventile genügen.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination –, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform eines Schwingkolbenverbrennungsmotors in Schnittdarstellung,
2 der Schwingkolbenverbrennungsmotor gemäß 1 im Längsschnitt,
3 ein Getriebe zur Erzeugung einer gleichsinnigen Drehbewegung,
4 eine zweite Ausführungsform eines Schwingkolbenverbrennungsmotors,
5 einen Ausschnitt einer dritten Ausführungsform eines Schwingkolbenverbrennungsmotors,
6 eine vierte Ausführungsform eines Schwingkolbenverbrennungsmotors im Schnitt,
7 eine fünfte Ausführungsform eines Schwingkolbenverbrennungsmotors im Schnitt,
8 eine Schnittdarstellung des Schwingkolbenverbrennungsmotors gemäß 7,
9 eine sechste Ausführungsform eines Schwingkolbenverbrennungsmotors,
10 eine siebente Ausführungsform eines Schwingkolbenverbrennungsmotors,
11 eine achte Ausführungsform eines Schwingkolbenverbrennungsmotors,
12 eine Prinzipdarstellung des Schwingkolbenverbrennungsmotors gemäß 7 mit integriertem Energiewandlersystem,
13 eine weitere Ausführungsform eines Schwingkolbenverbrennungsmotors,
14 zwei synchronisierte Schwingkolbenverbrennungsmotore und
15 miteinander gekoppelte Schwingkolbenverbrennungsmotore.
In den 1 bis 12, in denen grundsätzlich gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, werden bevorzugte Ausführungsformen von Schwingkolbenverbrennungsmotoren in Form von Schwenk- oder Pendelkolbenmotoren und in den 13 bis 15 Schwingkolbenverbrennungsmotoren in Form von Freikolbenmotoren rein prinzipiell dargestellt, die der gemeinsamen Lehre gehorchen, dass ein Zylinderraum in n-Teilräume unterteilt ist, dass in jedem Teilraum ein Kolben hin- und herschwenk bzw. -schwingbar angeordnet ist und dass jeder Teilraum von dem in diesem hin- und herschwenk- bzw. schwingbaren Kolben in zwei Brennräume unterteilt ist, wobei bevorzugterweise jedem Brennraum in gewünschtem Umfang ein vorverdichtetes Gas zuführbar ist, um auf diese Weise einen variablen Verdichtungsdruck einstellen zu können. Dabei ist jeder Takt ein Arbeitstakt.
Die wesentlichen Bauelemente des Schwingkolbenverbrennungsmotors, insbesondere der Kolben und das Zylindergehäuse, können aus Keramikmaterial hergestellt sein, so dass sich eine leichte Bauweise ergibt. Da Lager, Kurbelwellen etc. nicht benötigt werden, ist eine ölfreie Bauweise möglich. Zünddrücke im sehr hohen Bereich sind aufgrund des fehlenden Kurbelantriebs ohne Weiteres beherrschbar. Gleichfalls ist eine chemische Verdichtung bzw. die Verwendung hochenergetischer Brennstoffe möglich.
Den 1 und 2 ist eine erste Ausführungsform eines Schwingkolbenverbrennungsmotors 10 zu entnehmen, der ein Gehäuse 12 aufweist, in dem ein rotationssymmetrischer einen Abschnitt einer Torusform aufweisender Zylinderraum 14 verläuft, in dem von einer Kolbenscheibe 16 ausgehend ein im Schnitt eine H-Geometrie aufweisender Kolben 18 hin- und herschwenkbar ist. Die Kobenscheibe 16 ist über umfangsseitig verlaufenden Kolbenring 20 gegenüber dem Zylinderraum 14 abgedichtet. Der Kolben 18 unterteilt den Zylinderraum 14 in zwei Verbrennungsräume 22, 24, so dass in jeder Bewegungsrichtung bei jedem Schwenken des Kolbens 18 eine Zündung erfolgt. In den Zylinderraum 24 und damit in die Brennräume 22, 24 kann durch Einspritzen von Kraftstoffen wie Wasser Methanol Emulsion an verschiedenen Stellen 30, 32, 34, 36 eine mehrstufige Verbrennung erfolgen.
Der Zylinderraum 14 weist einen von dessen Innenwandung 26 ausgehenden Vorsprung 38 auf, der gegenüber dem Kolbenring 20 abgedichtet ist und Stirnflächen 40, 42 der Verbrennungsräume 22, 24 bildet. Die gegenüberliegenden Stirnflächen werden von den Außenflächen 44, 46 des Kolbens begrenzt, der zu den Stirnflächen 40, 42 hin- und herbewegbar ist.
Diametral gegenüberliegend zu dem Vorsprung 38 sind ein Gaseinlass 48 und mittig zwischen dem Gaseinlass 48 und dem Vorsprung 38 ist jeweils ein ggfs. über ein gesteuertes Ventil wie Magnetventil 50, 52 verschließbarer Auslass 54, 56 vorgesehen.
Die Kolbenscheibe 16 geht von einer als erste Welle zu bezeichnenden Hohlwelle 58 aus, die über Lager 60, 62 in dem Zylindergehäuse 12 abgestützt ist. Außerhalb des Zylindergehäuses 12 geht die Hohlwelle 58 in topfförmige Scheiben 64, 66 über, die über jeweils einen Freilauf oder eine Kupplung 68, 70 mit Wellen 72, 75 verbunden ist. Dabei geht die Welle 72 in eine zweite Welle 74 über, die sich innerhalb der Hohlwelle 58 erstreckt und mit einem Sonnenrad 76 eines Planetengetriebes verbunden ist.
Die Welle 74 ist als Hohlwelle in Form eines Hohlrades ausgebildet, das mit dem Sonnenrad 76 über nicht dargestellte Planetenräder das Planetengetriebe bildet, um somit die Hin- und Herbewegung des Kolbens 18 und damit der Kolbenscheibe 16 in eine gleichsinnige Drehbewegung umzusetzen. Dies ist allerdings dann nicht erforderlich, wenn z. B. auf jeder Seite ein Generator zur Stromerzeugung eingebaut ist. Hybridantrieb für Fahrzeuge oder andere individuelle Energiewandler oder Kombination daraus wie BHKW etc.
Die Freilaufe 78, 70 stellen sicher, dass auf die Welle 72 bzw. 74 nur eine der Schwingbewegungen des Kolbens 18 übertragen wird. Werden anstelle von Freiläufen Kupplungen benutzt, so schaltet diese dann, wenn keine Relativgeschwindigkeit zwischen Antrieb und Mitnahme besteht, d. h. lastfrei, quasi im Nulldurchgang. Es ist eine verschleißfreie Nutzung möglich.
Berührungsfreie elektromagnetische, kraftschlüssige mittels piezoelektrischer Translatoren, elektromechanische, pneumatische, mechanische z. B. mittels mechanischem Freilauf mit elektromagnetisch oder piezoelektrisch beeinflussten Klemmstücken, hydroelektrisch geschaltete oder sogar formschlüssige Kupplungen sind zur Realisierung der Übertragung der Schwenkbewegung des Kolbens 18 möglich. Eine diesbezügliche Kupplungsart ist im Übrigen für sämtliche Ausführungsbeispiele denkbar.
In der 3 ist in einer weiteren Ausführungsform wiedergegeben, wie die Hin- und Herbewegung des Kolbens 18 in eine einheitliche Drehbewegung umgesetzt werden kann. So kann eine Abtriebswelle 78 von einem Kegelrad 80 eines Kegelgetriebes 81 ausgehen, dessen Kegelrad 82 von der die erste Welle 58 durchsetzende zweite Welle 74 angetrieben wird. Das dem Kegelrad 82 gegenüberliegende Rad 84 wird von der Welle 75 angetrieben.
Ein der 4 zu entnehmender Schwingkolbenverbrennungsmotor 86 weist – abweichend von der Lehre der 1 – zwei Kolben 18, 88 auf, von denen jeweils einer von einer gesonderten Kolbenscheibe 16 ausgeht. Die Kolbenscheiben können über Zahnräder miteinander in Eingriff stehen, um auf mechanische Weise eine synchrone Bewegung sicherzustellen. Da zwei Kolben 18, 80 vorgesehen sind, ist der Zylinderraum 24 durch zwei Vorsprünge 38, 90 in zwei Teilräume 92, 94 unterteilt, wobei jeder Teilraum 92, 94 durch den jeweiligen in diesem hin- und herschwingbaren Kolben 18, 88 in wiederum zwei Brennräume 96, 98, 100, 102 unterteilt ist. Mittig zwischen den Vorsprüngen 38, 90 sind Gaseinlässe 104, 106 und Gasauslässe 108, 110, 112, 114 vorhanden, denen ggfs. – entsprechend der 1 – gesteuerte Ventile zugeordnet sein können. Über die Gaseinlässe 104, 106 kann im gewünschten Umfang vorverdichtetes Gas in die Zylinderteilräume 92, 94 strömen.
Wird vorverdichtetes Gas nicht zugeführt, kann durch die wandernde Druckwelle im Auspuffrohr und dem daraus resultierenden Unterdruck im Zylinderraum Frischgas in die Zy linderräume gesaugt werden. Mittels eines z. B. Druckwellenverdichters kann der Effekt optimiert werden.
Des Weiteren können die gegenüber dem Kolbenring 20 abgedichteten Vorsprünge 38, 90 Durchtrittsöffnungen 116, 118 aufweisen, über die eine Verbindung zwischen den Verbrennungsräumen 96, 100 bzw. 98, 102 erfolgt. Somit können gleiche Arbeitsdruckverhältnisse in den Verbrennungsräumen 96, 98, 100, 102 erzeugt werden.
Im Bereich der Vorsprünge 38, 90, die die Verbrennungsräume 96, 98, 100, 102 stirnseitig begrenzen, können nicht näher bezeichnete Kraftstoffeinspritzdüsen vorgesehen sein. In diesem Bereich sind des Weiteren Zündeinrichtungen wie Zündkerzen eingebaut.
Vorzugsweise werden die erfindungsgemäßen Motoren mit Selbstzündung betrieben.
Über die Gaseinlassöffnungen 104, 106 kann erwähntermaßen vorverdichtetes Gas den Verbrennungsräumen 96, 98, 100, 012 zugeführt werden. Dies kann mittels eines elektromotorisch unterstützenden Turboladers erfolgen, der vorzugsweise so ausgebildet ist, dass er auch als Stromlieferant für das Betriebssystem herangezogen werden kann. Das Ausführungsbeispiel zeigt einen Verdichter 120, dessen Rad 122 von einer Welle 124 ausgeht, auf dem ein Rad 126 einer Turbine 128 sowie ein Rotor 130 eines Motor/Generators 132 angeordnet sind. Des Weiteren sind die Gasaustrittsöffnungen 108, 110, 112, 114 mit den Einlass der Turbine 128 verbunden.
Selbstverständlich kann ein separater Vorverdichter bzw. ein Gebläse vorhanden sein, um das vorverdichtete Gas über die Gaseinlassöffnungen 104, 106 den Brennräumen 96, 98, 100, 102 zuzuführen.
Der Schwingkolbenverbrennungsmotor 86 kann auch als Gasgenerator dienen und bildet in Verbindung mit einer nachgeschalteten Turbine und vorgeschaltetem Verdichter ein kompaktes leistungsfähiges Antriebsaggregat.
In 5 ist ein Ausschnitt eines weiteren Schwingkolbenverbrennungsmotors 134 dargestellt, der sich von dem der 4 dahingehend unterscheidet, dass keine im Schnitt H-förmigen Kolben 18, 88, sondern von der Kolbenscheibe 16 abragende Stege 136, 138 vorgesehen sind, die die Funktion kurzer Kolben ausüben.
Eine weitere die Erfindung kennzeichnende Ausführungsform eines Schwingkolbenverbrennungsmotors 140 ergibt sich rein prinzipiell aus der 6.
In einem Zylindergehäuse 142 ist eine Kolbenscheibe 144 hin- und herschwingbar angeordnet. Die Kolbenscheibe 144 weist einen einer Zylinderscheibe gleichkommenden Basiskörper 146 mit von diesem von gegenüberliegenden Bereichen radial abragenden im Schnitt eine Trapezgeometrie aufweisende erste Vorsprünge 148, 150 als die Kolben auf, die abdichtend entlang Innenwandung 152 des Zylindergehäuses 142 hin- und herbewegbar sind. Von der Innenwandung 152 des Zylinders 142 erstrecken sich radial nach innen gerichtete und in radialer Richtung im Schnitt eine Dreieckgeometrie aufweisende zweite Vorsprünge 154, 156, gegen die abdichtend der scheibenförmige Basiskörper 146 der Kolbenscheibe 144 entlang gleitet.
Durch die entsprechende Geometrie des Zylinderraums 143 des Zylindergehäuses 142 und der Ausbildung der Kolbenscheibe 144 ergeben sich insgesamt vier Brennräume 158, 160, 162, 164.
Das Ausführungsbeispiel der 7 unterscheidet sich von dem der 6 dahingehend, dass von der Kolbenscheibe 144 nur ein die Funktion des Kolbens ausübender erster Vorsprung 148 ausgeht, der gegenüber der Innenwandung 152 des Zylindergehäuses 142 abgedichtet ist. Da nur ein Kolben 148 vorhanden ist, geht von der Innenwandung 152 auch nur ein zweiter Vorsprung 154 aus, durch den der Zylinderinnenraum 143 in zwei Brennräume 166, 168 unterteilt wird.
Entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre kann die Hin- und Herbewegung der Kolbenscheibe 146 entsprechend der Darstellung in 8 in eine einheitliche, also gleichsinnige Bewegung umgesetzt werden. So gehen von der Kolbenscheibe 146, die gegenüber dem Gehäuse 142 über Dichtungen 170, 172 abgedichtet ist, Wellenstümpfe 174, 176 aus, die in dem Gehäuse 142 gelagert sind. Die Wellenstümpfe 174, 176 weisen Mitnehmerscheiben 178, 180 auf, die über Kupplungen 182, 184 zuvor beschriebener Art mit Abtriebswellen 186, 188 verbunden sind. Dabei ist die Abtriebswelle 186 mit einem Wendegetriebe 189 verbunden, so dass sich der aus dem Wendegetriebe 189 abgehende Wellenstumpf 190 gleichsinnig zu der Abtriebswelle 188 dreht. Die verschiedenen Ausführungsformen und weitere sind universell anordbar bzw. beziehen sich auf alle Motoren-Varianten.
Der 9 ist ein Schwingkolbenverbrennungsmotor 192 zu entnehmen, der einen prinzipiellen Aufbau wie der der 1 aufweisen kann. Abweichend von dem diesbezüglichen Ausführungsbeispiel gehen von einem Ölraum 194 Wellen 196, 198 aus, die mit in dem Ölraum 194 angeordneten Scheiben 200, 202 verbunden sind, die ihrerseits über Freiläufe 204, 206 mit der Kolbenscheibe 16 in Wirkverbindung stehen. Die Wellen 196, 198 sind in dem Gehäuse 12 gelagert.
Die Wellen 196, 198 sind sodann über z. B. Zahnräder oder entlang von Scheiben verlaufende Zahnriemen 208, 210 mit Abtriebswellen 212, 214 verbunden, die ihrerseits über Verbindungsmittel wie Zahnräder 216, 218 verbunden sind. Somit bietet sich die Möglichkeit, dass wahlweise von der Abtriebswelle 212 oder der Abtriebswelle 214 eine Drehbewegung abgegriffen werden kann, die entgegengesetzt verläuft. Ungeachtet dessen weist jedoch jede Abtriebswelle 212, 214 100% Leistung auf, da die Abtriebswellen 212, 214 über die Zahnräder 216, 218 verbunden sind. Ein Anwendungsfall ist ein Hybridantrieb für Fahrzeuge vorzugsweise mit nachgeschaltetem stufenlosen Getriebe, wie mechanischem Wandlergetriebe. Auf einer Seite kann ein Generator angeordnet sein.
Die Ausführungsformen der 10 und 11 stellen Schwingkolbenverbrennungsmotoren 216 bzw. 218 rein prinzipiell dar, bei denen von einer Kolbenscheibe 16 zwei Kolben 220, 222 bzw. vier Kolben 226, 228, 230, 232 ausgehen. Dementsprechend ist der Zylinderraum 134 in zwei Teilräume 236, 238 bzw. der Zylinderraum 240 gemäß 11 in vier Teilräume 242, 244, 246, 248 unterteilt, die ihrerseits jeweils durch die Kolben 220, 222, 226, 228, 230, 232 in zwei Brennräume unterteilt sind.
Entsprechend der zeichnerischen Darstellung gehen vom Mittenbereich der Teilräume 236, 238, 242, 244, 246, 248 Verbindungen für den Gasein- bzw. -auslass aus. Diese sind durch offene Kreise symbolisiert, ohne dass diese näher gekennzeichnet sind.
Entsprechend der Darstellung der 12 kann der Schwingkolbenverbrennungsmotor 165 mit einem Energiewandler 250 entsprechend den Erläuterungen gemäß 4 verbunden sein. Dabei kann von dem Vorverdichter 120 über eine Leitung 252 und eine Öffnung 254, die über ein Magnetventil 256 verschließbar bzw. freigebbar ist, Gas dem Zylinderraum 143 und damit den Brennräumen 166, 168 zugeführt werden. Über prinzipiell dargestellte Austrittsöffnungen 258 wird sodann Verbrennungsgas über eine Leitung 260 dem Turbinenrad 126 der Turbine 128 zugeführt, über die der Generator 132 oder Sonstiges angetrieben wird.
Den 13 bis 15 sind rein prinzipiell Ausführungsformen von Schwingkolbenverbrennungsmotoren mit linear hin- und herschwingbaren Kolben zu entnehmen, mit denen gleichfalls entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre eine Drehbewegung durch einen mechanischen Antrieb erzeugt werden kann.
So ist der 13 ein Schwingkolbenverbrennungsmotor 300 dargestellt, dessen Kolben 302 einen Zylinderraum 304 in zwei Brennräume 306, 308 unterteilt, so dass jede Hin- und Herbewegung ein Arbeitstakt ist. Vom Kolben 302 geht eine Kolbenstange 310 aus, die in ihren außerhalb des Zylinderraums 304 verlaufenden Enden in Zahnstangen 314, 316 übergeht. Der Gaseinlass und der Verbrennungsgasauslass sind der Zeichnung klar zu entnehmen, ohne dass es weitergehender Erläuterungen bedarf. Dabei wird den Brennkammern 306, 308 vorverdichtetes Gas zugeführt, das mittels eines Verdichters 320 erzeugt wird, dessen Rad 322 von einer Welle 324 eines Motor/Generators 327 ausgeht, auf dem auch ein Schaufelrad einer Turbine 326 angeordnet ist. Der Verdichter 320 ist mit den Gaseinlässen 323 der Brennräume 306, 308 und der Gasauslass 328 mit der Turbine 326 verbunden. Der Motor 327 dient zunächst zur Erzeugung vorverdichteten Gases, das dem Schwingkolbenverbrennungsmotor 300 zugeführt wird. Nachdem der Schwingkolbenverbrennungsmotor 300, d. h. dessen Kolben schwingt, kann der Elektromotor als Generator, der über die Turbine 326 betätigt wird, die mit dem Verbrennungsgas des Schwingkol benverbrennungsmotors 300 beaufschlagt wird, wirken oder zusätzliche Energie für die Vorverdichtung liefern.
Die Zahnstangen 314, 316 kämmen mit Zahnrädern 330, die entsprechend dem Ausführungsbeispiel der 8 mit einer Welle 332 verbunden ist, die ihrerseits mittels der Kupplung 182 die Drehbewegung des Zahnrades 330 in eine gleichsinnige Rotationsbewegung umsetzt. Entsprechend geht von der linken Seite der Welle 332 eine Scheibe entsprechend der Scheibe 180 gemäß 8 aus, um die nicht auf den Wellenstumpf 188 übertragene Drehbewegung des Zahnrads 330 zu transformieren.
In 14 sind zwei der 13 entsprechende Schwingkolbenverbrennungsmotoren 300 synchronisiert. Hierzu wirken die Zahnstangen 314, 316, die von den zueinander ausgerichteten Schwingkolbenverbrennungsmotoren 300 ausgehen, über das Zahnrad 330 gekoppelt, so dass eine synchronisierte Bewegung erfolgt. Hierdurch ist ein ruhiger Lauf bei Massenausgleich gegeben. Das Zahnrad 330 ist sodann entsprechend der Erläuterungen im Zusammenhang mit den 8 und 13 über Kupplungen oder Freiläufe mit Abtriebswellen bzw. Abtriebswellenstümpfen 188, 190 verbunden.
Alternativ kann die Bewegung des Zahnrads 330 in eine Richtung z. B. auf einen Generator und in die andere Richtung auf einen Verdichter oder weiteren Generator übertragen werden.
Die 15 stellt eine Weiterbildung der Ausführungsform der 14 dar und berücksichtigt ergänzend die Möglichkeit, dass den Brennräumen von Schwingkolbenverbrennungsmotoren 334, 336 vorverdichtetes Gas über einen Verdichter 338 zugeführt wird, der von einer Welle 340 eines Motor/Generators 342 entsprechend der 13 ausgeht. Auf derselben Welle 340 ist eine Turbine 344 mit ihrem Schaufelrad angeordnet. Ferner kann die Welle 340 mit einer Abtriebswelle 346 verbunden sein, und zwar z. B. über Zahnräder.
Die grundsätzlich einen gleichen Aufbau aufweisenden Schwingkolbenverbrennungsmotoren 334, 336 umfassen insgesamt jeweils sechs Brennräume, so dass sich dem Grunde nach ein Zwölfzylindermotor darstellt. Die Kolbenstangen 348, 350 der Schwingkolbenverbren nungsmotoren 334, 336 sind außerhalb der Zylinder mit Zahnstangen 352, 354 verbunden bzw. gehen in diese über, die mit dem den 13 und 15 zu entnehmendem Zahnrad 330 kämmen, das wiederum entsprechend der Erläuterungen der 13 über Kupplungen Abtriebswellenstümpfe in gleichsinnige Drehbewegungen versetzt.
Auch aus der 15 wird verdeutlicht, dass jeder der Kolben der Schwingkolbenverbrennungsmotoren 334, 336 einen Zylinderraum in zwei Brennräume unterteilt, so dass jeder Takt ein Arbeitsakt ist. Insoweit wird jedoch auf die zuvor erfolgten Erläuterungen verwiesen. Im Übrigen sind die Figuren selbsterklärend.
Entsprechend der Darstellung der 15 geht die Kolbenstange 350 außerhalb des die Verbrennungsräume aufweisenden Zylinders in einen weiteren Kolben 356 über, der in einem Raum 356 hin- und herschwingbar ist, um auf diese Weise z. B. die Funktion eines Vorverdichters auszuüben oder als Arbeitsmodul zu wirken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19523736 C [0002]
- DE 19901110 C [0003]
- DE 102005038447 B [0003]
- DE 102005024751 A [0003]
- DE 102005023721 B [0003]
- DE 29822542 U [0003]

Claims

Schwingkolbenverbrennungsmotor (10, 86, 134, 140, 165, 116, 218), umfassend einen konzentrisch um eine erste Welle (58, 174, 176, 196) verlaufenden vorzugsweise rotationssymmetrischen eine Torusform bzw. einen Abschnitt von dieser aufweisenden Zylinderraum (14, 94, 134, 240) mit zumindest einem in diesem hin- und herschwingbaren bzw. -schwenkbaren Kolben (18, 88, 136, 138, 148, 150, 120, 222, 226, 228, 230, 232), dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderraum (14, 94, 134, 240) in n-Teilräume (92, 94, 136, 238, 242, 244, 246, 248) unterteilt ist, dass in jedem Teilraum ein Kolben (18, 88, 136, 138, 148, 150, 220, 222, 226, 228, 230, 232) hin- und herschwingbar ist und dass jeder Teilraum von dem in diesem hin- und herschwingbaren Kolben in zwei Brennräume (22, 24, 96, 98, 100, 102, 158, 160, 162, 164, 166, 168) unterteilt ist, wobei n ≥ 1 und jeder Takt ein Arbeitstakt ist.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Brennraum (22, 24, 96, 98, 100, 102, 158, 160, 162, 164, 166, 168) mit einem vorverdichtetes Gas zuführenden Anschluss (48, 254) verbunden ist.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (18, 88, 136, 138, 148, 150, 220, 222, 226, 228, 230, 232) von einer Kolbenscheibe (16, 144) ausgeht, die mit der ersten Welle (58, 174, 176) verbunden ist, die ihrerseits Abriebswelle (188) ist oder über zumindest eine Kupplung und/oder ein Getriebe (81, 188, 208, 210) mit der Abtriebswelle (78, 212, 214, 190) verbunden ist.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zündzeitpunkte und/oder Kraftstoffmanagement mittels elektronischer Erfassung des Drehmoments und/oder der Kolbengeschwindigkeit regelbar sind.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Brennräume (96, 100) über zumindest einen Druckausgleichskanal (38) verbunden sind.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kolben (148, 150, 220, 222, 226, 228, 230, 232) von einer gemeinsamen Kolbenscheibe (16, 144) ausgehen.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (18, 88, 136, 138) von getrennten Kolbenscheiben (16) ausgehen, die vorzugsweise z. B. über Zahnräder und/oder elektronisch in ihrer Bewegung synchronisiert sind.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brennraum (22, 24) an mehreren in Bewegungsrichtung des Kolbens (18) zueinander beabstandeten Stellen Kraftstoff zuführbar ist.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle (58) als erste Hohlwelle ausgebildet ist, dass die erste Hohlwelle von einer zweiten Welle (74) durchsetzt ist und dass die erste Hohlwelle und die zweite Welle über ein Getriebe miteinander verbunden sind, über das deren Bewegung in eine einheitliche umformbar ist.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Welle (74) mit dem Sonnenrad (76) eines Planetengetriebes verbunden ist, das über Planetenräder mit einem Hohlrad wechselwirkt, das über eine Kupplung oder einen Freilauf (70) mit der Welle (58) verbunden ist.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Welle (74) mit einem Sonnen- oder Kegelrad (76, 82) eines Getriebes (81) verbunden ist.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hohlwelle (58) über erste und zweite Verbindungsmittel wie Kupplungen (68, 70) mit der zweiten Welle (74) und einer zweiten Hohlwelle (75) verbunden ist, wobei erste Verbindungsmittel (68) auf die zweite Welle eine der zwei Bewegungsrichtungen der Kolbenscheibe (16) und über die zweiten Verbindungsmittel auf die zweite Hohlwelle (78) die andere der zwei Bewegungsrichtungen der Kolbenscheibe übertragen.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Welle (174, 176) zu beiden Seiten der Kolbenscheibe (144) mit jeweils einem Wellenstumpf (174, 176) erstreckt, dass jede der Wellenstümpfe über ein Verbindungsmittel wie Kupplung (178, 180, 182, 184) auf eine weitere Welle (186, 188) eine der Bewegungsrichtungen der Kolbenscheibe überträgt und dass eine der weiteren Wellenstümpfe (186) ein Wendegetriebe (189) durchsetzt.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenscheibe (144) einen zylinderscheibenförmigen Basiskörper (146) mit radial von diesem abragenden den Kolben (148, 150) bildenden ersten Vorsprung aufweist, dass der Zylinderraum (143) eine Hohlzylindergeometrie mit einem von dessen Innenwandung (142) radial nach innen gerichteten zweiten Vorsprung (154, 156) aufweist, an dem der Basiskörper abdichtend anliegt, und dass der erste Vorsprung abdichtend an der Innenwandung des Zylinderraums anliegt.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von diametral gegenüber liegenden Bereichen des Basiskörpers (144) jeweils ein radial abragender erster Vorsprung als der Kolben (148, 150) ausgeht und dass von der Innenwandung (152) von diametral gegenüber liegenden Bereichen des Zylinderraums (143) zwei radial nach innen gerichtete zweite Vorsprünge (154, 156) ausgehen.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der den Kolben bildende erste Vorsprung (148, 150) in radialer Richtung im Schnitt eine Trapezgeometrie aufweist.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Innenwandung (152) nach innen gerichtete zweite Vorsprung (154, 156) in radialer Richtung eine Dreiecksgeometrie aufweist.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennräume (158, 160, 162, 166, 168) begrenzende einander zugewandte Flächen der ersten und zweiten Vorsprünge (148, 150, 154, 156) derart zueinander geneigt sind, dass brennraumaußenseitiger Abstand größer als brennrauminnenseitiger Abstand ist.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenscheibe (16) über Freiläufe oder Kupplungen (204, 206) mit zwei Wellen (196, 198) verbunden ist, dass die eine Welle eine der Bewegungsrichtungen der Kolbenscheibe und die andere Welle die andere Bewegungsrichtung übertragen und dass die Wellen über Verbindungsmittel wie Zahnräder oder -riemen (208, 210) mit jeweils einer Abtriebswelle (212, 214) verbunden sind, die über Zahnräder (216, 218) miteinander verbunden sind.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennräume (96, 98, 100, 102, 166, 168) mit ihren Gasaustrittsöffnungen (108, 110, 112, 114, 258) mit einer Turbine (128) verbunden sind, deren Welle (124) Welle eines Motor-Generators (132) ist.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Turbinen- bzw. Generatorwelle (124) ein Verdichterrad (122) eines Verdichters (120) ausgeht, dessen Ausgang mit Gaseintrittsöffnung (104, 106, 254) des Verbrennungsraums (96, 98, 100, 102, 166, 168) verbunden ist.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenscheibe (146) von Kühlluft durchströmbar ist.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (18) im Längsschnitt eine H-Geometrie aufweist, dessen Querschenkel sich in Längsrichtung des Verbrennungsraums (96, 98) erstreckt.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinlass- und/oder -auslassöffnung (104, 106, 108, 110, 112, 254, 258) über ein vorzugsweise geregeltes Ventil wie Magnetventil (256) verschließbar ist.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (18, 88, 136, 138, 148, 150, 220, 222, 226, 228, 230, 232) und/oder die Kolbenscheibe (16, 144) und/oder das den Zylinderraum (14, 143) umgebende Zylindergehäuse (12, 142) aus Keramik bestehen.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenscheibe (16) gegenüber dem Zylinderraum (14) über einen Kolbenring (20) abgedichtet ist.
Schwingkolbenverbrennungsmotor mit linearer Kolbenbewegung (300, 334, 336) mit zumindest einem einen Zylinderraum (304) in zwei Brennräume (306, 308) unterteilenden Kolben (302), von dem eine Kolbenstange (310, 348, 350) ausgeht, die mit einem Zahnrad (330) kämmt.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach Anspruche 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Zahnrades (330) über ein Verbindungsmittel wie Kupplung (182) oder Freilauf in eine gleichsinnige Drehbewegung umsetzbar ist.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach Anspruch 27 und 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Zahnrades (330) auf einen Generator und/oder einen Verdichter und/oder zwei Verdichter und/oder zwei Generatoren übertragbar ist.
Schwingkolbenverbrermungsmotor nach zumindest einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennräume (306, 308) mit dem Ausgang eines Verdichters (320, 338) verbunden sind.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der Ansprüche 27 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasaustrittsöffnung des Verbrennungsraums (306, 308) mit dem Eingang einer Turbine (326, 344) verbunden ist.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der Ansprüche 27 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (320, 338) und/oder die Turbine (326, 344) von einer Welle (324, 340) ausgeht, die Welle eines Motors bzw. Generators (327) ist.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der Ansprüche 27 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkolbenverbrennungsmotor in einem Hybridantrieb einsetzbar ist.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der Ansprüche 27 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkolbenverbrennungsmotor mit einem Generator einen Hybridantrieb bildet.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der Ansprüche 27 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkolbenmotor ventillos arbeitet.
Schwingkolbenverbrennungsmotor nach zumindest einem der Ansprüche 27 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkolbenverbrennungsmotor mit einem Wandler bzw. stufenlosen Getriebe in Wirkverbindung steht.